Паровая турбина. КПД теплового двигателя. Холодильник. Экологические проблемы использования тепловых машин
Цели и задачи
- Цель урока по SMART: к концу урока объяснить принцип действия паровой турбины и холодильника, применять формулу КПД теплового двигателя $\eta=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}\cdot100\%$ при решении не менее двух задач и обосновать не менее двух способов снижения экологического вреда тепловых машин.
- Сформировать представление о превращении внутренней энергии пара в механическую работу в паровой турбине и о переносе теплоты холодильной установкой.
- Научить выбирать физическую модель, выделять известные величины, записывать формулу и проверять реалистичность полученного значения КПД.
- Развивать умение работать с текстом учебника, схемой, числовыми данными и цифровой презентацией, сравнивать варианты решения и аргументировать выводы.
- Воспитывать ответственное отношение к использованию энергии, интерес к инженерным профессиям и готовность оценивать экологические последствия технических решений.
Планируемые результаты
Личностные
- Осознают связь физических знаний с безопасностью, энергетикой, транспортом и состоянием окружающей среды.
- Проявляют ответственное отношение к расходованию энергии и обсуждают экологические последствия безразличного отношения к выбросам.
- Получают возможность выбора уровня задания и формата представления ответа, что поддерживает учебную самостоятельность.
- Формулируют личное отношение к вопросу: «Можно ли развивать энергетику без увеличения экологического ущерба?»
Метапредметные
- Извлекают информацию из текста учебника, схемы, таблицы и презентации, отделяют данные от вывода.
- Планируют решение расчётной задачи, контролируют единицы измерения и оценивают правдоподобие результата.
- Сотрудничают в парах и группах, распределяют роли, задают уточняющие вопросы и аргументируют позицию.
- Используют ИКТ для анализа схемы теплового двигателя и представления экологических решений.
Предметные
- Знать назначение и основные части паровой турбины: сопло, поток пара, рабочее колесо, вал и генератор.
- Объяснять, что КПД теплового двигателя показывает долю теплоты, превращённую в полезную работу, и что $\eta<100\%$.
- Уметь рассчитывать КПД по количеству теплоты, полученной от нагревателя и отданной холодильнику.
- Объяснять принцип действия холодильника как тепловой машины, переносящей теплоту от холодного тела к более тёплому за счёт работы компрессора.
- Перечислять экологические проблемы тепловых машин и предлагать технически обоснованные способы их уменьшения.
Универсальные учебные действия (УУД)
Личностные УУД
- Определяют личный вклад в рациональное использование электроэнергии и снижение бытовых выбросов.
- Связывают изучаемую тему с возможной деятельностью инженера, энергетика, эколога или специалиста по автоматизации.
- Оценивают последствия технического решения не только по эффективности, но и по воздействию на природу.
- Сохраняют уважение к различным мнениям в обсуждении экологической проблемы.
Регулятивные УУД
- Совместно формулируют цель урока и составляют последовательность действий для её достижения.
- Выбирают уровень расчётного задания с учётом собственной готовности.
- Проверяют формулы, единицы измерения, знак и величину результата.
- Исправляют ошибки после сверки с эталоном и формулируют, что необходимо повторить.
Познавательные УУД
- Строят причинно-следственную цепочку превращений энергии в паровой турбине.
- Сравнивают тепловой двигатель и холодильник по направлению передачи теплоты и затрачиваемой работе.
- Моделируют работу холодильника по схеме «холодильник — рабочее тело — окружающая среда».
- Анализируют данные задачи и экологического кейса, выделяют существенные признаки и делают вывод.
Коммуникативные УУД
- Распределяют роли в группе: аналитик, вычислитель, докладчик и контролёр.
- Формулируют вопросы к тексту учебника и отвечают на них доказательно.
- Представляют решение с пояснением физического смысла формулы.
- Участвуют в короткой дискуссии, соблюдая регламент и опираясь на физические факты.
Подготовка учителя к уроку
- Подготовить учебник, тетради, маркеры, карточки трёх уровней сложности и листы самооценки по числу учащихся.
- Вывести на экран схему паровой турбины, схему холодильника с направлениями потоков теплоты и таблицу экологических проблем.
- Распечатать по одной карточке на парту с расчётной задачей базового уровня и по одной карточке на группу с экологическим кейсом.
- Подготовить четыре групповых набора: карточка с данными, лист для вывода, фломастеры и памятка «Дано — СИ — формула — вычисление — ответ».
- Подготовить презентацию или интерактивную схему, короткую анимацию вращения турбины и изображение промышленной электростанции с очистными сооружениями.
- Подготовить калькуляторы по одному на пару или разрешить использовать встроенный калькулятор на планшете; заранее проверить демонстрацию схемы через проектор.
- Разместить на доске опорную запись: $Q_1=Q_2+A$, $A=Q_1-Q_2$, $\eta=\frac{A}{Q_1}\cdot100\%$.
- Подготовить для учителя методические ресурсы: учебник и его текст по теме, презентацию со схемами, карточки дифференцированных заданий, чек-лист решения и таблицу критериев оценивания.
- Проветрить кабинет и не использовать открытое пламя или горячий пар: практическая часть проводится по цифровой модели и безопасной демонстрационной схеме.
Ход урока
Этап 1. Организационный момент и мотивация (3 мин)
Цель этапа: включить учащихся в работу через проблемную ситуацию и связать тему с повседневными устройствами.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель приветствует класс и показывает на экране фотографии электростанции, паровой турбины и бытового холодильника: "Здравствуйте, ребята. Сегодня мы разберём устройства, которые внешне очень разные, но работают на общих физических принципах. Посмотрите на изображения: где здесь происходит превращение энергии, а где теплота переносится вопреки естественному направлению? Запишите тему урока и приготовьтесь объяснять, а не только запоминать." | Записывают тему, рассматривают изображения, предполагают: «На электростанции энергия топлива превращается в электричество», «Холодильник отводит тепло от продуктов». |
2 мин | Учитель использует приём «Проблемный вопрос»: "Представьте, что двигатель получает от топлива 100 Дж теплоты. Может ли он превратить все 100 Дж в полезную работу? А холодильник может ли сам охлаждать продукты без затрат энергии? Сегодня нам нужно получить физически обоснованный ответ на оба вопроса." | Фиксируют первоначальные гипотезы, формулируют вопросы: «Почему часть энергии теряется?», «Куда уходит теплота?» |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы увидели, что за знакомыми устройствами скрыта одна проблема — превращение и передача энергии. Сначала вспомним необходимые понятия, чтобы затем самостоятельно раскрыть принцип работы турбины и холодильника."
Этап 2. Актуализация знаний (5 мин)
Цель этапа: восстановить знания о тепловом двигателе, количестве теплоты и законе сохранения энергии.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель раздаёт карточки с утверждениями и предлагает приём «Светофор»: "Отметьте зелёным верные утверждения, жёлтым — требующие уточнения, красным — неверные. Первое: нагреватель передаёт рабочему телу энергию. Второе: холодильник самопроизвольно передаёт тепло от холодного тела к горячему. Третье: часть полученной теплоты тепловой двигатель отдаёт холодильнику. Обсудите спорное утверждение в паре." | Индивидуально отмечают утверждения, затем 1 минуту обсуждают в парах. Объясняют: «Первое и третье верны», «Второе неверно: холодильнику нужна работа компрессора». |
2 мин | Учитель записывает на доске обозначения и спрашивает: "Что называют количеством теплоты, полученным от нагревателя? Что происходит с оставшейся частью энергии? Как записывается энергетический баланс?" Учитель принимает ответы и уточняет физический смысл величин. | Отвечают: «$Q_1$ — теплота от нагревателя», «$Q_2$ — теплота, отданная холодильнику», «Полезная работа равна разности: $A=Q_1-Q_2$». Записывают обозначения в тетрадь. |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы восстановили энергетический баланс теплового двигателя. Теперь выясним, как поток пара превращает этот баланс в вращение вала и почему результат работы оценивают коэффициентом полезного действия."
Этап 3. Постановка проблемы и целеполагание (4 мин)
Цель этапа: сформулировать учебную задачу и критерии успешной работы.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
2 мин | Учитель показывает схему турбины без подписей: "Посмотрите на схему. Пар выходит из сопла с большой скоростью и попадает на лопатки рабочего колеса. За счёт чего колесо начинает вращаться? Что соединено с валом? Сформулируйте гипотезу сначала самостоятельно, затем сравните её с соседом." | 30 секунд размышляют, 1 минуту обсуждают в парах, формулируют: «Движущийся пар действует на лопатки», «Вал передаёт вращение генератору». |
2 мин | Учитель фиксирует цель: "К концу урока вы должны уметь по схеме объяснить работу паровой турбины и холодильника, вычислить КПД по данным задачи и предложить меры уменьшения вредных выбросов. Проверим себя по трём результатам: объяснить, рассчитать, обосновать." | Записывают цель в сокращённом виде: «Объяснить — рассчитать — обосновать», выбирают базовый или повышенный уровень карточки для дальнейшей работы. |
Посмотрите план целиком
Зарегистрируйтесь — и откройте план урока по этой теме полностью: цели, ход урока и рефлексия по ФГОС.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Цель определена, а значит, мы можем переходить от предположения к модели. Сначала исследуем турбину по схеме и короткому тексту учебника, затем применим формулу к числовым данным."
Этап 4. Открытие нового знания: турбина и КПД (9 мин)
Цель этапа: самостоятельно вывести назначение паровой турбины и смысл формулы КПД.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
4 мин | Учитель предлагает работу с учебником и схемой: "Откройте учебник на фрагменте о паровой турбине. Читайте текст с пометками: знакомое отмечайте галочкой, новое — плюсом, непонятное — вопросительным знаком. Найдите четыре элемента установки и проследите путь энергии: нагреватель, сопло, рабочее колесо, вал. На экране я показываю то же движение стрелками." | Читают фрагмент, ставят пометки, выписывают четыре элемента. По схеме объясняют цепочку: «Теплота нагревает воду, пар расширяется, струя действует на лопатки, колесо и вал вращаются». |
3 мин | Учитель ведёт эвристическую беседу: "Вся ли теплота превращается в работу вращения? Нет, часть энергии уходит с отработавшим паром и нагревает окружающую среду. Поэтому введём КПД. Запишите: $\eta=\frac{A}{Q_1}\cdot100\%$, а после подстановки $A=Q_1-Q_2$ получим $\eta=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}\cdot100\%$. Почему результат не может быть больше 100 процентов?" | Записывают формулы, отвечают: «Полезная работа меньше полученной теплоты, поэтому КПД меньше 100 процентов». |
2 мин | Учитель решает короткий пример: "Двигатель получил $Q_1=500$ Дж и отдал холодильнику $Q_2=300$ Дж. Сначала назовём полезную работу, затем найдём КПД. Следим за единицами и физическим смыслом ответа." | Называют шаги и сверяют запись: $A=500-300=200$ Дж; $\eta=\frac{200}{500}\cdot100\%=40\%$. Формулируют: «В полезную работу превратилось 40 процентов энергии». |
Запись в тетрадях
Паровая турбина превращает энергию струи пара во вращение рабочего колеса и вала. $A=Q_1-Q_2$. $\eta=\frac{A}{Q_1}\cdot100\%=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}\cdot100\%$. КПД показывает, какая доля энергии нагревателя превращена в полезную работу.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы выяснили, что турбина использует действие быстро движущегося пара, а КПД показывает долю полезной работы. Теперь применим это знание в задачах разной сложности и проверим не только вычисления, но и объяснение результата."
Этап 5. Практическая работа: холодильник и дифференцированные задачи (10 мин)
Цель этапа: применить формулу КПД и сравнить устройство теплового двигателя с холодильной машиной.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель демонстрирует на экране схему холодильника: "Рассмотрите стрелки. Рабочее тело испаряется внутри холодильной камеры и забирает теплоту у продуктов. Затем компрессор совершает работу, а конденсатор отдаёт теплоту комнате. Подумайте: почему задняя стенка холодильника бывает тёплой? Запишите ответ одним предложением." | По схеме показывают испаритель, компрессор и конденсатор, записывают: «Холодильник отдаёт в комнату тепло, полученное от продуктов, и энергию, затраченную компрессором». |
4 мин | Учитель раздаёт карточки выбора. Базовый уровень: «Двигатель получил от нагревателя 800 кДж и отдал холодильнику 560 кДж. Найдите работу и КПД». Средний уровень: «КПД двигателя равен 30 процентов, от нагревателя получено 1200 кДж. Найдите полезную работу и количество теплоты, отданное холодильнику». Повышенный уровень: «Сравните два двигателя: первый получает 1000 кДж и отдаёт 650 кДж, второй получает 900 кДж и отдаёт 540 кДж. Какой эффективнее и почему?» | Выбирают карточку, оформляют решение по памятке. Базовый уровень: $A=240$ кДж, $\eta=30\%$. Средний: $A=360$ кДж, $Q_2=840$ кДж. Повышенный: первый $\eta=35\%$, второй $\eta=40\%$; выбирают второй и обосновывают сравнением КПД. |
3 мин | Учитель организует взаимопроверку: "Обменяйтесь карточками с соседней парой. Проверьте четыре позиции: записаны ли данные, верна ли формула, согласуются ли единицы, есть ли фраза с ответом. Поставьте две звезды за сильные стороны и одно пожелание, если видите неточность." | Проверяют работу по чек-листу, отмечают две сильные стороны и одно исправление, возвращают карточку автору, исправляют найденную ошибку. |
Эталон решения
Для базовой задачи: $Q_1=800$ кДж, $Q_2=560$ кДж. Полезная работа $A=Q_1-Q_2=800-560=240$ кДж. КПД $\eta=\frac{240}{800}\cdot100\%=30\%$. Ответ: $A=240$ кДж, $\eta=30\%$. Для среднего уровня: $A=\eta Q_1=0{,}30\cdot1200=360$ кДж; $Q_2=Q_1-A=1200-360=840$ кДж.
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Мы применили одну и ту же модель к разным данным и увидели, что высокий КПД означает большую долю полезной работы, но не отменяет отдачу теплоты. Теперь проверим индивидуально, насколько уверенно каждый из вас умеет выбирать формулу и объяснять физический смысл результата."
Этап 6. Самостоятельная работа с самопроверкой (7 мин)
Цель этапа: индивидуально проверить освоение формулы КПД и направить коррекцию ошибок.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
5 мин | Учитель раздаёт индивидуальные задания трёх уровней: "Работайте самостоятельно и не переписывайте решение соседа. Минимум для всех: объяснить, почему КПД не равен 100 процентов, и решить задачу: двигатель получил 600 кДж, отдал 420 кДж. Базовый вариант дополнительно просит найти КПД. Повышенный вариант: предложить два изменения конструкции, которые могут увеличить полезную работу, и объяснить их." | Записывают $A=180$ кДж, вычисляют $\eta=30\%$, объясняют наличие потерь. Учащиеся повышенного уровня предлагают уменьшить потери теплоты, улучшить теплоизоляцию, снизить трение, использовать более полное сгорание топлива или очистку и повторное использование теплоты. |
2 мин | Учитель выводит эталон: $A=Q_1-Q_2$, $\eta=\frac{A}{Q_1}\cdot100\%$. Просит отметить цветом место ошибки, если ответ отличается: "Ошибка — это не повод стирать всё решение; найдите первый неверный шаг и исправьте его." | Сверяют решение, выделяют первый неверный шаг, исправляют вычисление или единицы, ставят в листе самооценки знак «могу» или «нужна помощь». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Индивидуальная проверка показала, умеем ли мы считать КПД без подсказки. Осталось подняться на более высокий уровень — оценить экологическую цену работы тепловых машин и предложить реалистичное решение."
Этап 7. Экологический кейс и межпредметная связь (5 мин)
Цель этапа: применить физические знания к экологической и технологической проблеме, используя сведения химии, географии и информатики.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
3 мин | Учитель делит класс на группы и раздаёт кейс: «Тепловая электростанция сжигает топливо, нагревает воду и вращает турбину. В районе станции выросли выбросы углекислого газа и оксидов азота, а также расход воды для охлаждения. Предложите план из трёх мер: одну физическую, одну технологическую и одну организационную». Учитель напоминает: "Опирайтесь на связь физики с химией, географией и информатикой: назовите источник проблемы и ожидаемый эффект меры." | В группах распределяют роли, составляют таблицу «Проблема — причина — мера — результат». Предлагают: повысить КПД и теплоизоляцию, установить фильтры и системы очистки, использовать замкнутый цикл охлаждения, применять возобновляемые источники там, где это возможно, контролировать расход энергии цифровыми датчиками. |
2 мин | Учитель просит два докладчика представить по одному решению и задаёт вопрос: "Какая мера уменьшает сам расход топлива, а какая только очищает выбросы? Почему эти меры нельзя полностью считать взаимозаменяемыми?" | Представляют решения, отвечают: «Повышение КПД уменьшает расход топлива и объём выбросов, а фильтры очищают уже образовавшиеся выбросы; нужны обе группы мер». |
Завершение этапа: учитель подводит итог: "Физика помогает не только рассчитать двигатель, но и оценить последствия его работы. Мы увидели, что экологичность начинается с уменьшения потерь энергии, однако требует также очистки выбросов и ответственного управления ресурсами."
Этап 8. Рефлексия и домашнее задание (2 мин)
Цель этапа: зафиксировать результат, выявить затруднения и объяснить выбор домашнего задания.
Время | Действие учителя | Действие учеников |
|---|---|---|
1 мин | Учитель предлагает «Билет на выход»: "Закончите три фразы: «Паровая турбина нужна для...», «КПД вычисляют потому, что...», «Чтобы уменьшить экологический вред, можно...». Отметьте светофором своё состояние: зелёный — могу решить задачу, жёлтый — нужна тренировка, красный — нужна помощь." | Письменно заканчивают фразы, выбирают цвет самооценки, сдают билет при выходе. |
1 мин | Учитель сообщает домашнее задание: "Выберите уровень, но обязательный минимум — повторить формулы и уметь объяснить направление передачи теплоты в холодильнике. На следующем уроке начнём с разбора типичных ошибок." | Записывают выбранный уровень, задают уточняющие вопросы, сверяют запись с доской. |
Критерии оценивания практической работы
- «5» — верно решены все части выбранной расчётной карточки, записаны формулы и единицы измерения, дан физический комментарий, экологический кейс содержит не менее трёх обоснованных мер.
- «4» — расчёт выполнен в основном верно, допущена одна несущественная ошибка в оформлении или объяснении, приведены не менее двух экологических мер с аргументацией.
- «3» — правильно записан энергетический баланс и решена базовая часть задачи либо дано верное объяснение работы холодильника, но есть ошибка в вычислении КПД или неполное экологическое обоснование.
Рефлексия
Вопрос для ученика | Цель вопроса |
|---|---|
Что происходит с энергией пара в паровой турбине? | Проверка понимания цепочки превращений энергии. |
Какой первый шаг вы делаете при расчёте КПД? | Выявление затруднений в алгоритме решения задачи. |
Почему холодильник нельзя считать устройством, создающим холод? | Проверка понимания переноса теплоты и роли работы компрессора. |
Какая экологическая мера показалась вам наиболее реалистичной и почему? | Оценка умения переносить физическое знание в жизненный и межпредметный контекст. |
Завершающее слово учителя
"Сегодня мы связали работу паровой турбины, расчёт КПД и устройство холодильника единой идеей превращения и переноса энергии. Запомните типичную ошибку: нельзя считать КПД отношением отданной теплоты к полученной — в числителе должна быть полезная работа $A=Q_1-Q_2$. Мы также увидели, что повышение эффективности тепловых машин связано не только с экономией топлива, но и с уменьшением экологического ущерба. На следующем уроке мы разберём типичные ошибки и подробнее рассмотрим способы повышения КПД."
Домашнее задание
Уровень | Что задать | Зачем |
|---|---|---|
Базовый (обязательный) | Решить 3 задачи на вычисление полезной работы и КПД по значениям $Q_1$ и $Q_2$; письменно объяснить принцип работы холодильника в 4–5 предложениях. | Закрепляет энергетический баланс, формулу КПД и направление передачи теплоты; при проверке смотреть на единицы, формулу и физический комментарий. |
Средний (повышающий) | Решить 4 задачи: две на нахождение КПД, одну на нахождение $Q_2$ по КПД и $Q_1$, одну на сравнение двух двигателей; составить небольшую таблицу «Турбина — холодильник» по назначению, источнику энергии и направлению передачи теплоты. | Формирует перенос алгоритма на обратные задачи и умение сравнивать тепловые машины по физическим признакам. |
Продвинутый (дополнительный) | Подготовить мини-исследование на 8–10 предложений или один слайд: выбрать бытовую или промышленную тепловую машину, указать полезное действие, основные потери энергии, экологическую проблему и две меры улучшения. | Развивает исследовательское мышление, работу с информацией и аргументированную оценку инженерного решения. |
Контрольные вопросы перед выходом из класса: «Что обозначают $Q_1$, $Q_2$ и $A$? Почему КПД не может быть равен 100 процентам? Как холодильник переносит теплоту? Назовите одну меру, уменьшающую расход топлива, и одну меру, очищающую выбросы».
